Roboter in der Medizin – Mitschrift Murmel (Murmel.vienna@gmx.at)

Mitschrift _________________________________________________________________ 2 Versuch einer Positionierung_____________________________________________________ 2 Grundbegriffe, Definitionen______________________________________________________ 2 Antriebsarten__________________________________________________________________ 3 Sicherheitsvorschriften für Industrieroboter (EN 775)________________________________ 4 Technische Problemstellungen____________________________________________________ 4 Kinematik-Konfigurationen______________________________________________________ 5 Rechnergestützte Planung und Durchführung von chirurgischen Eingriffen _____________ 6 Anwendung von Medizin-Robotersystemen allgemein ________________________________ 6 Einsatzgebiete von Medizin-Robotersystemen _______________________________________ 7 Neuro-Chirurgie / Stereotaktischer Rahmen ________________________________________ 7 Orthopädie____________________________________________________________________ 8 MIS minimal invasive Chirurgie, Tele-Chirurgie ____________________________________ 8 AI Lab MIT ___________________________________________________________________ 9 Interventionelle Radiologie ______________________________________________________ 9 Robotergestützte Radiochirurgie_________________________________________________ 10 Mikro-Chirurgie ______________________________________________________________ 10

Folien ___________________________________________________________________ 10 Serviceroboter ________________________________________________________________ 10 Roboter in der Rehabilitation ___________________________________________________ 11 Roboter in der Chirurgie _______________________________________________________ 11 Mikroroboter_________________________________________________________________ 11 Roboter in der Medizin_________________________________________________________ 12 Grundbegriffe und Definitionen _________________________________________________ 12 Komponenten des Robotersystems _______________________________________________ 13 Anwendungen von Robotern in der Medizin _______________________________________ 13 Roboter in der Telechirurgie ____________________________________________________ 14 Sicherheit von Medizin-Robotern ________________________________________________ 14 Anwendungen Serviceroboter in der Rehab________________________________________ 14 Medical Robots Entwicklungspotentiale___________________________________________ 14

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Mitschrift

Versuch einer Positionierung - OP-Technik „bisher“

• Planungsteil untergeordnet • Aufwendiger OP-Teil => für den Patienten traumatisch

- Trend

• Dominanter Planungsteil (CAS, Simulation…) • OP „nur mehr“ Umsetzung des Planes, zunächst noch überwiegend „manuell“ =>

zunehmend „automatisiert“ - Zukunft

• Umsetzung vollständig durch Maschinen? Bsp: Gallenblasenoperation - früher: sehr aufwendig (zeitaufwendig), die Patienten mussten lange im Krankenhaus bleiben - heute: laparoskopische OP Geschichte der Robotertechnik - 3. Jhdt vor Christus „automatischer Altar“ - „Roboter“ = rastlos arbeitende künstliche Menschen (Karal Capele, RUR) - Isaak Asimov: „Drei Gesetze der Robotik“ -> Roboter sind Helfer des Menschen - 1956: Deval & Engelberger -> 1. Industrieroboter - 1972 wurde der este Roboter in Betrieb genommen Roboter: - Industrieroboter - mobile Roboter Der Markt ist endlich beschränkt, aber sehr gut: 150-155 Firmen weltweit, die sich mit Robotern oder Robotertechnik beschäftigen. Definition Industrieroboter - universell einsetzbar - frei programmierbar

Grundbegriffe, Definitionen Genauigkeiten

• Auflösung „diskreter“ Verteilung von Positionen im Arbeitsbereich • Fehler im kinematischen Modell des Roboters • Kalibrier-Ungenauigkeiten • Stochastischer Fehler, Durchbiegung, Getriebespiel etc…

Positionsgenauigkeit (= eine Zahl am Papier, die man nicht unbedingt glauben soll)

• „Wie genau erreicht der Roboter die gewünschte Position?“

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• Beschreibt die Abweichung zwischen gewünschter und erreichter Position • Besonders wichtig bei Off-line-Programmierung

Wiederholgenauigkeit

• Abweichung zwischen wiederholt eingefahrenen Positionen • Resultat stochastischer Fehler -> keine kontinuierliche Verteilung des Arbeitsraumes

=> nur diskrete Verteilung (Raster) der Punkte möglich! => in der klassischen industriellen Programmierung sind die „Raster-Punkte“ kein Problem, im medizinischen Bereich aber sehr wohl (SW, die den Roboter möglichste genau steuert) => Genauigkeit => Zusammenspiel zwischen Mathematik & Technik => grundsätzlich ist jeder Roboter anders, da man bei der Fertigung immer „nur“ innerhalb gegebener Toleranzen liegen muss -> Kalibrieren

Koordinatensysteme - dienen zur Beschreibung der anzufahrenden Punkte - Koordinatensystem = Position Ursprung + Orientierung der Achsen => mathematische Verbindung zwischen den Koordinatensystemen sehr kompliziert (auch Ungenauigkeiten => Rundungsfehler beim Invertieren der Matrix) Instrument tracking Die Steuerung eines Istruments erfolgt durch die Kopplung an dieses Instrument CCD Chip Charged Coupled Device Chip, = Robotergehirn Nennlast = Nutzlast + Werkzeuglast Sensor Fusion = Verwendung sich ergänzender Sensorsysteme AGV = fahrerlose Transportsysteme MMI = Mensch Maschine Interface

Antriebsarten Elektrische Antriebe VT: + elektrische Energie ist (fast) überall verfügbar + Reaktion auf Ansteuerung fast ohne Verzögerung + einfache Konzeption + geräuscharm + betriebssicher NT: - relativ kleine Momente und Kräfte übertragbar - aufwendiger & teurer Explosionsschutz - meist Verwendung von Getrieben notwendig - höhere Instandhaltungskosten Pneumatische Antriebe VT: + günstiges Leistungewicht + Wartungsfreundlichkeit + Explosionssicherheit + einfacher Aufbau

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NT: - Beschränkung bezüglich Aufbringung großer Kräfte - Geräuschentwicklung - Bremsverschleiß - Kompressibilität der Luft! - Luft als Energieträger ist teuer Hydraulische Antriebe VT: + hohe Kräfte + stufenlose Geschwindigkeitsregelung + Wegfall von Bremseinrichtungen + Inkompressibilität des Mediums + geringe Instandhaltungskosten NT: - zusätzliche Hydraulikaggregation - große Lärmentwicklung - thermische Einflüsse auf die Positionsgenauigkeit

Sicherheitsvorschriften für Industrieroboter (EN 775) Ursachen der Gefährdung - Ausfall oder Fehler - bewegliche mechanische Teile, die zum Fangen oder Quetschen führen - gespeicherte Energie - Energiequelle - menschliches Versagen (Gleichzeitig auch Mindestanforderungen für die Medizinroboter!) Sicherheitsmaßnahmen: Sicherheitsfunktionen: - Eingeschränkter Bewegungsbereich - Not – Aus und sicheres Anhalten - reduzierte Geschwindigkeit - Verriegelung trennender Schutzeinrichtungen bei Ausfall eines Bauteiles nicht beeinträchtigt („FAIL-SAVE“) - Begrenzung des Bewegungsraumes (mechanische Anschläge und/oder gleichwertige Maßnahmen)

Technische Problemstellungen - Sensorik, Steuerung - mechanisches Design: Viele Teile sind bis jetzt noch nicht gelöst (Positionsgenauigkeit nicht „exakt“, „shared control“; Koordination zwischen Arzt & Roboter; Kompatibilität; „Der Mensch ist nicht eingespannt, sondern liegt frei am Bett und bewegt sich.“ Industrieroboter für medizinische Aufgaben? - SW ist nicht das Wichtigste! => Spezialroboter für medizinische Aufgaben - wichtigstes Auslegungskriterium: SICHERHEIT - Geschwindigkeit, Reichweite - speziell gewählte Kinematik („mechanical constraints“, Zwangsführungen)

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Roboter in der Medizin: Vor- und Nachteile VT: + höhere Genauigkeit (v.a. exakte Position im 3D-Raum) + minimal invasive Eingriffe (Laparoskopie) + Sicherheit (Zwangsführungen) + konsistente Qualität + keine Ermüdung bei repetitiven Tätigkeiten + kleine Begegnungen mit kleinen aufgebrachten Kräften (skalieren) + komplexe Bewegungen mit hoher Genauigkeit + Möglichkeiten zur lückenlosen Dokumentation

+ „Indexing“ = Fixierung des Roboters in jeweiliger Position, dabei kann sich z.B. der Arzt erholen + grundsätzlich sterilisierbar, resistent gegen Keime, Strahlung

NT: - keine Entscheidungskompetenz - limitierte Flexibilität - limitierte Hand-Augen-Koordination - Kosten! - Komplexität stark zunehmend - Sicherheit - Wer ist verantwortlich? (Arzt oder Roboter?) - Intra-operative Bewegung der Organe / des Gewebes Arten der Interaktion - Autonome Roboterbewegung

• z.B. bei Einsetzen der Hüftprothesen, Strahlentherapie - interaktiv / Roboter-„assistenz“

• Roboter & Chirurg „teilen“ Arbeit („shared control“) • „Hands-on-systems“, „active-constraints“ Methode • z.B. Fräs- und Schneidevorgänge in der Orthopädie

- explizite Kontrolle durch Arzt („Master-Slave“) • Unterstützung bei minimal invasiven Eingriffen • „Tele-Operation“, „Tele-Presence“ => funktioniert derzeit am Besten! (auch im AKH)

Kinematik-Konfigurationen Cartesian Robot Gibt es überall, einfaches mathematisches Modell, mechanisch sehr einfach realisierbar Cylindrical Robot - 1 Drehachse + 2 Linearachsen => 1 Radius + 1 Winkel + Höhe = Punktbeschreibung bei Zylinderkoordinaten => 2 Winkel + 1 Radius = Punktbeschreibung bei Kugel Spherical Robot Sehr wenige, Anwendungsmöglichkeit in der Medizin gibt es keine, für Labor geeignet - entweder reine translatorische oder reine rotatorische Gelenke - 2^3 Möglichkeiten der Positionierung bei DDD (D…Drehen) - je mehr Drehachsen, desto komplizierter (und unangenehmer zu programmieren) SCARA Robot(=assembly Robot) = Horizontaler Knickarm-Roboter - nicht gut für medizinische Anwendungen geeignet

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- kann sehr schnell fahren Articulated Robot Vertikal-Knickarm-Roboter - bildet fast den menschlichen Arm nach - wird am Häufigsten eingesetzt - hat einen großen Arbeitsbereich - auch für medizinische Anwendungen geeignet Parallel Robot „Flugsimulatoren“ - hat 6 Freiheitsgrade - medizinisch höchst interessant Serielle vs. Parallele Roboterkinematik Serielle Kinematik - Singularität: große Bewegungen, große Beschleunigungen, ist in der Medizin nicht günstig Parallele Kinematik - Positionsfehler ist gemittelt über die Freiheitsgrade, deshalb nicht so groß - kleiner, kompakter - kleinerer Arbeitsbereich => Vorteil für medizinische Anwendungen

Rechnergestützte Planung und Durchführung von chirurgischen Eingriffen - „chirurgisches CAD/CAM“

• Transformation präoperativer Daten in Modelle, Unterstützung bei der Erstellung eines optimalen Eingriffplans, Registrierung

• => Schwerpunkt auf prä-operativer Planung und intraoperativer Umsetzung - chirurgische Assistenten CIS = Computer integrated surgical Systems CIS

Anwendung von Medizin-Robotersystemen allgemein

Patient Datenaufnahme

Virtueller Patient Atlas

Modelle Wissensbasis

Entscheidung Arzt

Eingriffsplanung Orientierungshilfe

Umsetzung

Roboter

Roboter

Roboter

Roboter

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Einsatzgebiete von Medizin-Robotersystemen Neurochirurgie - stereotaktische OP -> rahmenlose Stereotaxis Orthopädie - THR, TKR Einsetzen von Schrauben Allgemeine Chirurgie / Thoraxchirurgie (MIS) - Kameraführung - aktive Instrumente - perkutane Interventionen

Neuro-Chirurgie / Stereotaktischer Rahmen Neurochirurgie - MIS bei der Neurochirurgie schwieriger - Fixieren des Rahmens Neuromate: Integrated surgical systems inc. - stereotaktische Chirurgie - rahmenlose, neurochirurgische Eingriffe MINERVA Roboter ist im Tomograph eingebaut System OP 2015 Stuttgart - Hexapod (6 DOF) als Endoskop & Navigationsroboter => Evolution 1 Evolution 1 7 Freiheitsgrade + 3 von dem Positionierungstool - Neurochirurgie - Wirbelsäulenchirurgie - Orthopädie - HNO MKM (Mehrkoordinatenmultiplikator) - Manipulator als Mikroskopträger - Erweiterung: Fest montiertes Endoskop als Zielinstrument PathFinder Präziser „Localizer“ für die naurochirurgie-Positionierung von chirurgischen Instrumenten entlang einer direkten Trajektorie BencaFlex Gibt es noch nicht (Design), modular, integriert LurgiScope Parallelroboter mit 7 DOF LurgiScope 2000 Verschiedene Tools (Bohrer, Fräser, Säge)

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Viewing Wand Passiver 6 DOF Manipulator Messung der Winkelpositionen durch Encoder => Bezeichnung von Position und Orientierung Surgical Robotics Lab SRL März 2001: Robodenkt (Dental Implantate) => experimental OP -> reines Navigationssystem

Orthopädie CASPAR- Computerunterstützte Endoprothetik des Hüftgelenks - Idee = zementfreies Implantieren, Zement ist sehr giftig, man muss aufpassen, dass er nicht in den Blutkreislauf kommt, die Knochenzellen werden damit getötet - dreidimensionale Planungsstation - Robotersystem ROBODOC Sicherheitspakete: - Erkennung der Femur-Position während CT-Scan - laufende Fehlerprüfung - Bone motion monitor - automatische Diagnosefunktion bei Systemstart CRIGOS - 6 DOF - Spezialroboter für orthopädische Eingriffe - Steuerung durch Joystick, Sprachkontrolle ACROBOT - höhere Genauigkeit durch Robotereinsatz -> genaue Geometrie, höhere Lebensdauer der Prothese - semi-aktiver Roboter für Operation am Knie - Unterstützung bei (manuell geführten) Schneidevorgängen -> verhindert Fehlbewegungen

MIS minimal invasive Chirurgie, Tele-Chirurgie Probleme MIS/Endoskopie VT für Patienten, aber erhöhte Schwierigkeit für Chirurgen - offene Chirurgie: maximale Beweglichkeit / Einsicht OP-Feld unbeschränkt / visuelles + taktiles Feedback - Endoskopie:

• Begrenzte Freiheitsgrade / unnatürliche Hand-Augen-Koordination (gespiegelte Bewegung), keine Tiefeninformation, Kamera in dem Roboter durch Assistenten geführt -> Blickfeld nicht unter Kontrolle des Chirurgen / kein taktiles Feedback

• Arbeit mit langen Instrumenten

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Endo assist (= die 3. Hand des Chirurgen) 4 DOF Roboter + Hilfsgelenke - Steuerung durch Kopfbewegung des Chirurgen (+ gleichzeitigem Drücken eines Fußpedals) - weniger Kamerawechsel, keine Missverständnisse Chirurg-Assistent Da Vinci Der am weitesten entwickelte Roboter -> heute) - minimal – invasive Bypass-Operation - zusätzliche Freiheitsgrade an med. Instrumenten („Endowrist“) - Eingabe über Joystick-Bewegungsbefehle werden „gespiegelt“ - „Motion Lealling“-Funktionen, Filterfunktionen - Force-Feedback Aufnahme der Kraft, die das Tool auf das Gewebe entwickelt hat und Übergabe an den Master. - > 300 Eingriffe erfolgreich absolviert => Herzzentrum Leipzig => sind auf die Bypass-OPs mit daVinci spezialisiert, AKH hat’s auch! HUMAN - 3 Werkzeug/Kameraführungen innerhalb Schaft mit 10 mm Durchmesser - Zusätzliche Gelenke auf einzelnen Werkzeugen

AI Lab MIT PHANTOM - Eingabegerät mit „high fidelity“ Feedback - 3 DOF Mechanismus-Antrieb über DC Motor - Positionsmessung über Encoder + „Fingerhut“ – montiert auf (passivem) 3 DOF Gelenk => Fingerspitze als Punkt modellierbar

Interventionelle Radiologie - CIS-System zur zielgenauen Positionierung von dünnen, flexiblen Instrumenten (Nadeln, Bohrer, Laserpointer) im Körperinneren unter Kontrolle durch intra-operative Bildgebung (CT, MRI, Röntgen, US) - Brachytherapie, Biopsie an weichem Gewebe (Leber, Lunge, Niere) und an Knochen (Hüftknochen), Produktion von Abszessen - Roboterunterstützung: Genauigkeit erhöht, Dauer der Therapie reduziert, Konsistenz der Therapie, Verbindung mit real-time Bildgebung => Anwendungen der interventionellen Radiologie - Brachytherapie (Prostata, Brust // US, MR) - Gentherapie (Prostata // US, MR) - Biopsie an weichem Gewebe (Gehirn, Nieren // CT, MR) - Biopsie an der Prostata (Prostata // US, MR) - Biopsie an Knochen (Hüftknochen // CT, Fluoroskopie) - Laparoskopie (Abdomen, Nieren // CT, Fluoroskopie) - Einsetzen von Wirbelschrauben (Wirbelsäule // CT, Fluoroskopie) - ablative Techniken (Leber, Prostata // US, MR) - Radiochirurgie (Gehirn, Leber, Wirbelsäule // US, MR)

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Kritische Faktoren - Registration (Koordinatentransformation BV Roboterbasis Instrument) - schnelles zuverlässiges Backtracking - Roboter kompatibel zur Bildgebung (CT, MR, Röntgen) und sterilisierbar ARCS - 7 DOF Robotersystem - programmierbares Remote-Center - Verwendung mit CT und US (Daten&Videoschnittstelle) Fluoroskopie-gestützte Intervention

Robotergestützte Radiochirurgie - statt Fixierung des Patienten -> Vision System zur Aufnahme der Patientenbewegungen - Strahlungsquelle wird von 6 DOF Roboter bewegt - Überwachung der Roboterposition durch US-System - Cyberknife-Accuracy

Mikro-Chirurgie - Eingriffe an der Netzhaut - HNO (Hals, Nase, Ohren) - Anastomase (Gefäßchirurgie) - Neurochirurgie - Herzchirurgie - Orthopädie

Folien

Serviceroboter Roboter überwiegend im Dienstleistungsbereich. Im medizinischen Bereich muss ein Roboter im steten Kontakt mit Personen stehen. Serviceroboter VT: + Reduzierung der Dienstleistungskosten + Dienstleistung kann industriell orientierte Rationalisierungsmaßnahmen nutzen + Größere Zuverlässigkeit bei der Erbringung der Dienstleistung + Entlastung des Dienstleisters von Routineaufgaben + Wahrung der Diskretion + Steigerung der Verfügbarkeit der Dienstleistung NT: - Kunde (Patient) verliert das Gefühl der persönlichen Betreuung

- Dienstleistung reduziert sich auf sachliche Zweckerfüllung; Befriedigung sozialer und psychologischer Bedürfnisse entfällt - Wegfall der Infividualität und Einmaligkeit der Dienstleistung - Notwendige Lernprozesse und Akzeptanz im Umgang mit Automaten

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Roboter in der Rehabilitation - Fahrhilfe und intelligente Rollstähle - Handhabungshilfe + rollstuhlbasierte Manipulation - Unterstützung Pflegepersonal - Servicezentren Rehabilitation; Rollstuhlsystem; Fähigkeit zur Steuerung (selbstnavigierende Rollstühle); Entlastung des Pflegepersonals - Grenzen der Sensorik + geringe Akzeptanz bei Patienten

Roboter in der Chirurgie z.B.: robotergesteuerte Laserskalpelle / Endoskope VT: + wesentlich höhere (und konstante) Genauigkeit + Verkürzung Operationsdauer ( Regenerationsphase

+ Verminderung postoperativer Schmerzen + Verbesserung des Heilprozesses

Behandlung: - Absaugen von Hämatomen

- Entfernen kleinerer Tumore - Implantationen von Strahlenquellen zur Zerstörung größerer Tumore - Biopsie - Elektrotherapie bestimmter Gehirnbereiche - Thermische Behandlung im Bereich des Thalamus bei starkem Zittern zufolge der Parkinson’schen Krankheit

Operation von Hirntumoren: Chirurg mit Hilfslaserstahl zu Tumor geführt, 3D Computersystembild + akt. Status OP Lokalisierende Kinematiken - Passive Kinematiken zur Lokalisierung: Körperteile wie Kopf, Kniegelenk fest positioniert. Operationswerkzeug oder Hilfsvorrichtung in einer konstanten Relativstellung zum fixierten Körperteil. - positionierbare Kinematiken: Dienen als Instrumententräger, welche außerhalb des Patienten fernbedient oder automatisch positioniert werden. - automatisch positionierbare Kinematiken: Unmittelbare Verbindung von Diagnose und Therapie, Positionsfindung + Korrelation, Operationsfindung + Training

Mikroroboter Besteht aus: - Hardware: „Gehirn“ Mikrochips - Charged coupled Device – Chips Kamera - Sensoren für die Orientierung und Bewegung - Antriebsmotor - Chassis (Gehäuse) - Verschiedene Leitungen und Schläuche

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Fortbewegung: - Piezoelectric-inch-worm - „pneumatischer Balken“ - Luftkissenantrieb - steuerbarer Schwimmer in einem Magnetfeld

Roboter in der Medizin Allgemein: - Verwendung spezieller und auf die Anwendung „maßgeschneidertes“ Robotersystem statt Robotern von der Stange. - Roboter ist Werkzeug für Chirurgen und kein Ersatz - Visualisierung ohne Berücksichtigung des Tastsinnes ist „blind“ - Simulation spielt eine zentrale Rolle bei der Verwendung medizinischer Robotersysteme - Ein neuer Entwicklungsschwerpunkt sollte die Entwicklung verbesserter, anwenderorientierter Mensch-Maschine-Schnittstellen sein IARP „International Advanced Robotics Programme“ Ziel: zur Förderung der Entwicklung fortgeschrittener Robotersysteme Beschäftigungsbereiche: - Steuerungstechnik - Sensorik - Antriebstechnik - Mensch-Maschine-Schnittstelle - Sicherheitstechnik Diffusionshemmnisse: - hohe Systemanschaffungskosten - lange Entscheidungswege Kranken- und Pflegeeinrichtungen - weitestgehend Abhängigkeit Hersteller von staatlicher Förderung Entwicklungsparameter: - Dienstleistungsmarketing - Organisation der Dienstleistungserbringung - öffentliche Akzeptanz - Umgebungsgestaltung - Ergonomie - Mensch-Maschine Interaktion

Grundbegriffe und Definitionen - Roboterglieder, Robotergelenkebilden die eigentliche medizinische Struktur eines Roboters - Freiheitsgrad (DOF)Jedes Gelenk liefert Freiheitsgrade Dreh- oder Linearfreiheitsgrade mit je 1 DOF für beliebige Position und Orientierung im Raum => 6 DOF

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- OrientierungsachsenBeschreibung der Orientierung des End-Effektors (Roll, Pitch, Yaw); 6 Gelenke => 5 Freiheitsgrade. Grundsätzlich orientiert man sich nach dem menschlichen Arm. - Tool Centre Point (TCP)TCP liegt entweder am Roboter oder am End-Effekt Beschreibung in kartesischem, zylindrischen Koordinatensystem - ArbeitsbereichKinematische Struktur + Arbeitsbereiche der Gelenke ergeben fixen Arbeitsbereich - Nennlast = Nutzlast + WekzeuglastLast, die der Roboter ohne Einschränkung der für die Achse eingegebenen Geschwindigkeiten, Arbeitsbereiche und Genauigkeiten handhaben kann - WiederholgenauigkeitMechanisch, rechnerische Faktoren -> Abweichung bei wiederholt angefahrenen Punkten

Komponenten des Robotersystems - Mechanischer Arm Roboterglieder, Gelenke, Basis; genügend strukturelle Stabilität zur Aufnahme der Nennlast - Antriebssystem Motor, Kolbenantrieb, Getriebe, Bremseinrichtung - Steuerungssystem Interface zum Operation; Ansteuerung der Roboterachse - End-Effektor, End-of-Arm Tooling (EOAT) Spezielles Werkzeug, angepasst an Anwendung; Greifer, Schrauben - Programmiereinrichtung (SW-Test) Teach Panel, Bewegung der Achsen, Speicherung der Punkte, Programmerstellung, Not-Aus…

Anwendungen von Robotern in der Medizin - Laborroboter Labortest (z.B.: Bluttests) VT: wiederholende Tätigkeit bei hoher Geschwindigkeit ohne zu ermüden, hohe Zuverlässigkeit; Zeit, Kosten, Personal sparend - Krankenhausroboter Transporttätigkeit im KH (Medizin, Essen, Wäsche …) - Rehab-Roboter Unterstützung von vorübergehend/dauerhaft behinderten Menschen Stationäre Roboter (einfache Handling-Aufgaben) Mobile Roboter (Roboterarm montiert an Rollstuhl)

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Roboter in der Telechirurgie - Roboter direkt und in „real-time“ vom Chirurgen angesteuert - Distanz OP-Chirurg beliebig - Feedback (visuelles, haptisches Feedback) - Chirurg muss auf Feedback vertrauen

Sicherheit von Medizin-Robotern - Konsequenz aus Fehlverhalten - Jeweils anzupassen an den Patienten (Tests, Simulation…) Mögliche Fehlerquellen: - fehlerhaftes Design - Fehlfunktion von HW oder/und SW Komponenten - Fehlinterpretation - fehlerhafte/unvollständige Spezifikation => absolute Sicherheit ist nicht möglich => „Fail-save“ Verhalten von med. Robotern. Sicherheitsstrategien - Redundanz Verdopplung oder Verdreifachung wesentlicher Module (HW, SW) Verwendung sich ergänzender Sensorsysteme -> „Sensor-Fusion“ - Einschränken der Funktionsvielfalt Fehlerwahrscheinlichkeit steigt mit zunehmender Komplexität Mögliche Abhilfen: Beschränkung Freiheitsgrade Beschränkung Arbeitsbereich Verringerung Arbeitsgeschwindigkeit => Spezielle Anforderungen für Rehab-Roboter

Anwendungen Serviceroboter in der Rehab - Faltbarer mobiler Rollstuhl (für Kfz-Kofferraum) - Handhabungshilfe Behinderte (Mehrachsige Kinematik + Greifer) - Handhabungshilfe im Heimbereich (Mehrachsige Kinematik + Greifer auf Fahrzeug) - Körperteilführung (Führung betroffener Körperteile) - aktive Endprothese (Myoelektrische Signale werden über Stellmotor in entsprechende Bewegung an der Prothese übersetzt)

Medical Robots Entwicklungspotentiale - Steuerungstechnik Dezentrale Steuerungsarchitektur, Integration, Neuroinformatik - Sensorik Integration von Erkennen + Eingreifen; standardisierte Sensorschnittstelle; Bildverarbeitng - Antriebstechnik Höhere Leistungsdichte, Miniatiurisierung

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- Mensch-Maschine-Schnittstelle Verbesserung der Sprachverarbeitung, Erlernen und Integration von Gestik, Verständnis-multimodale Eingabe; Plausibilitätskontrolle - Sicherheitstechnik Entwicklung raumüberwachender Sicherheitssensoren, Gestaltungsregeln für den Entwurf sicherheitsgerechter Systemlayouts Weitere Folien (25-38)

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